Een team van onderzoekers stelde een snelle en handige methode voor, genaamd gepolariseerde beeldvorming dynamische lichtverstrooiing (PIDLS), die tegelijkertijd de grootte, morfologie en distributie van nanodeeltjes kwantitatief evalueert. Er wordt een dimensieloze grootheid voorgesteld, genaamd optische sfericiteit, om de mate van afwijking van nanodeeltjes ten opzichte van bollen te beschrijven. Deze methode zal een grote bijdrage leveren aan in-situ synthese, structuur-functieanalyse en kwaliteitsbeoordeling van nanodeeltjes.

Het team van Chinese onderzoekers van de Universiteit van Shanghai voor Wetenschap en Technologie en Jiaxing MeaParTech Instrument Technology Co., Ltd publiceerden hun werk in het tijdschrift Particuology .

De prestaties van nanodeeltjes worden vaak beïnvloed door factoren als deeltjesgrootte en vorm. Traditioneel wordt elektronenmicroscopie of atoomkrachtmicroscopie gebruikt voor analyse van de grootte en morfologie van nanodeeltjes. Niettemin brengt deze aanpak uitdagingen met zich mee, zoals complexe monstervoorbereiding, tijdrovende verwerking en problemen bij het bereiken van kwantitatieve karakterisering. Een snelle, nauwkeurige en statistisch betekenisvolle methode om de grootte en morfologie van nanodeeltjes te meten zal de gerelateerde industrie faciliteren.

In tegenstelling tot elektronenmicroscopie en atoomkrachtmicroscopiemethoden meet de PIDLS-methode niet rechtstreeks de grootte en morfologie van nanodeeltjes. In feite kan PIDLS worden gezien als een combinatie van de imaging dynamic light scattering (IDLS)-methode en de gepolariseerde lichtverstrooiing (PLS)-methode.

Door een monster nanodeeltjes te belichten met een gepolariseerde laserstraal, ontvangt een gepolariseerde camera het verstrooide licht en verkrijgt verstrooiende beelden in de polarisatierichtingen 0°, 45°, 90° en 135°. Als gevolg van de continue willekeurige Brownse beweging van de deeltjes variëren de ruimtelijke posities en oriëntaties van de deeltjes voortdurend, wat resulteert in schommelingen in de intensiteit en polarisatietoestand van het verstrooide licht.

Volgens de vergelijking van Stokes-Einstein is de snelheid van intensiteitsschommelingen in het verstrooide licht gerelateerd aan de deeltjesgrootte, en volgens de lichtverstrooiingstheorie is de polarisatietoestand van het verstrooide licht gerelateerd aan de deeltjesmorfologie. Door de ruimtelijke correlatie van twee opeenvolgende verstrooiingsbeelden in de polarisatierichting van 0° te berekenen, kan de snelheid van intensiteitsschommelingen in het verstrooide licht worden bepaald, en dus de deeltjesgrootte.

Continue metingen kunnen meerdere meetresultaten voor de deeltjesgrootte opleveren, inclusief de gemiddelde waarde en de polydispersiteitsindex. Door de intensiteit van verstrooid licht te analyseren van vier polarisatiebeelden in tegelijkertijd genomen polarisatierichtingen van 0°, 45°, 90° en 135°, kan de mate van lineaire polarisatie (in dit artikel optische sfericiteit genoemd) worden verkregen. , die kan worden gebruikt om de mate van aanpassing van deeltjes aan een bol te evalueren.

Een waarde van 1 geeft een perfecte bol aan, terwijl de kleinere waarde de grotere afwijking van een bol aangeeft. Continue metingen kunnen de optische sfericiteit van de nanodeeltjes bepalen, waardoor een statistische morfologische verdeling wordt verkregen.

In dit onderzoek zijn metingen uitgevoerd aan bolvormige, octaëdrische, platte, staafvormige en draadvormige nanodeeltjes. De resultaten van deeltjesgrootte, morfologie en verdelingen verkregen met de PIDLS-methode kwamen overeen met die verkregen met elektronenmicroscopie, wat de effectiviteit van de voorgestelde methode aantoont.

De studie mat ook vijf titaniumdioxidepoeders van industriële kwaliteit en identificeerde met succes de monsters met aanzienlijk grotere deeltjesgroottes, lagere optische sfericiteit en slechte consistentie in zowel grootte als morfologie. Dit onderstreept de potentiële toepassing van de PIDLS-methode bij de kwaliteitscontrole van nanopoeders.

"Deze studie biedt een nieuw hulpmiddel voor het evalueren van de morfologie van nanodeeltjes", zegt Xiaoshu Cai, professor aan de Universiteit van Shanghai voor Wetenschap en Technologie. De PIDLS-methode kan worden uitgevoerd bij kamertemperatuur en atmosferische druk in een vloeistoffaseomgeving met nauwelijks monstervoorbereiding. Met zijn eenvoud en hoge meetsnelheid heeft de PIDLS-methode een groot potentieel voor wijdverspreide toepassing in de synthese van nanomaterialen in laboratoria, de productie van nanopoeders in fabrieken en vele andere geavanceerde gebieden.

"In de volgende stap zal ons onderzoeksteam de universaliteit van de optische sfericiteit verder valideren. Daarnaast zijn we van plan om de relatie tussen deeltjesmorfologie en far-field verstrooiingspatronen verder te onderzoeken op basis van de polarisatieverstrooiingstheorie, met als doel de classificatie van deeltjes te bereiken morfologie," zei Cai.

Op deze manier kunnen de onderzoekers de toepassingsscenario’s van PIDLS uitbreiden en het potentieel voor praktische toepassingen verbeteren. "Onze onderzoeksgroep richt zich consequent op multiparametermeting en online meting van deeltjes, en ontwikkelt voortdurend nieuwe meetmethoden en apparaten", aldus Cai.

Meer informatie: Bingyao Wang et al, Gepolariseerde beeldvorming dynamische lichtverstrooiing voor gelijktijdige meting van de grootte en morfologie van nanodeeltjes, Particuologie (2023). DOI:10.1016/j.partic.2023.06.004

Aangeboden door Particuologie